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矿井回风源热管换热器风道流场分析矿井回风源热管换热器风道流场分析 陈陈 凯凯 鲍玲玲鲍玲玲 副教授副教授 供热、供燃气、通风及空调工程供热、供燃气、通风及空调工程 能源与环境工程学院能源与环境工程学院 及结构优化研究及结构优化研究 2020 6 万方数据 分类号TK115 密 级 公开 UDC 单位代码 10076 工学硕士学位论文 矿井回风源热管换热器风道流场分析及结构 优化研究 作者姓名 陈凯 指导教师 鲍玲玲 副教授 申 请 学 位 级 别 工学硕士 学科专业 供热、供燃气、通风 及空调工程 所在单位 能源与环境工程学院 授 予 学 位 单 位 河北工程大学 万方数据 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Academic Degree of Master of Engineering The Study of Flow Field Analysis and Structural The Study of Flow Field Analysis and Structural Optimization of Heat Pipe Heat Exchanger Air Optimization of Heat Pipe Heat Exchanger Air Duct in Mine Return Air Source Duct in Mine Return Air Source Candidate Chen Kai Supervisor Prof. Bao Lingling Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Heating, Gas Supply, Ventilation and Air Conditioning Engineering College/Department College of Energy and Environmental Engineering Hebei University of Engineering May 2020 万方数据 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学河北工程大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 签字日期 2020 年 06 月 05 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 签字日期 2020 年 06 月 05 日 导师签名 签字日期 2020 年 06 月 05 日 万方数据 摘 要 I 摘 要 矿井回风是一种优质的余热回收能源， 热管换热器系统在技术上可以实现对 这种优质低温热源的利用， 而矿井回风源热管换热器系统换热风道内流场的优劣 直接影响着换热效果及矿井的通风阻力。 系统在实际运行后，热管换热器的流道 内部流场较不均匀且风道压降较大， 风机气流流场状态复杂，各个模块的处理风 量偏差很大。 本文采用理论分析、现场实验测试和数值模拟相结合的方法对矿井 回风源热管换热器换热风道内流场的分布规律进行了分析及优化研究。 首先， 对实际工程项目中矿井回风余热回收系统的风道内流场进行了现场实 验测试。经过分析得出，风道内热管模块截面风速相差较大，各模块处理风量很 不均匀， 同时局部风速过大同样会带来模块的阻力增大。通过改变风机开启的不 同工况得出，风机起到了导流的效果，但作用较小。 其次，采用 Fluent 软件对矿井回风余热回收系统回风风道进行了数值模拟， 并分析了不同入口速度及不同风机开启工况对风道内流场的影响。结果显示， 入 口速度越大风道进出口压差越大，压降越明显。模块最大不均匀率和综合流量不 均幅值随入口速度的变化基本保持不变。 在不改变其他参数的情况下，模块前段 风机对风道流场有较好的导流作用，而后段风机则作用较小。 最后，对加装不同导流板、不同开口方式、不同入口角度及风机与模块不同 间距风道内的流场进行了优化研究。结果显示，在原工况基础上，加装导流板后 改善了换风道内流场， 系统的总压降、模块最大不均匀率及综合流量不均幅值均 有所降低。当开口方式为左侧出口，入口角度为平行回风前室斜边时，风道内流 场基本参数达到预期要求。同时得到，当模块与风机间距为 2m 左右时，局部流 场最佳。 本文提出了一种矿井回风源热管换热器换热风道的优化布置方法，为后 续工程应用设计提供指导作用。 关键词矿井回风；热管换热器；换热风道；流场；优化 万方数据 Abstract II Abstract Mine return air is a kind of high-quality waste heat recovery energy. The heat pipe heat exchanger system can technically realize the use of this high-quality low-temperature heat source, and the quality of the flow field in the heat exchange duct of the mine return air source heat pipe heat exchanger system directly affects the heat exchange effect and the ventilation resistance of the mine. After the system is in actual operation, the flow field inside the flow channel of the heat pipe heat exchanger is uneven and the pressure drop in the air duct is large. The state of the flow field of the fan air flow is complicated, and the processing air volume of each module is greatly different. This paper analyzes and optimizes the distribution law of the flow field in the heat exchange duct of the mine return air source heat pipe heat exchanger using a combination of theoretical analysis, on-site experimental testing and numerical simulation. First of all, field experiments were conducted on the flow field in the duct of the mine return air waste heat recovery system in the actual project. After analysis, it is found that the cross-section wind speed of the heat pipe module in the air duct is greatly different, and the air volume processed by each module is very uneven. At the same time, the excessive local wind speed will also increase the resistance of the module. By changing the different operating conditions of the fan, it is concluded that the fan has a diversion effect, but the effect is small. Secondly, Fluent software was used to simulate the return air duct of the mine return air waste heat recovery system, and the influence of different inlet speeds and different fan opening conditions on the flow field in the air duct was analyzed. The results show that the greater the inlet velocity, the greater the pressure difference between the inlet and outlet of the duct, and the more obvious the pressure drop. The maximum unevenness rate and comprehensive unevenness amplitude of the module remain basically unchanged with the change of inlet speed. Without changing other parameters, the fan in the front section of the module has a better guiding effect on the flow field of the duct, while the fan in the rear section has a smaller effect. Finally, the flow field in the air duct with different deflectors, different opening s, different inlet angles and different distances between the fan and the module 万方数据 Abstract III was optimized. The results show that on the basis of the original working conditions, the flow field in the ventilation duct is improved after the deflector is installed, and the total pressure drop of the system, the maximum unevenness rate of the module and the comprehensive unevenness amplitude are all reduced. When the opening is the left exit and the entrance angle is parallel to the hypotenuse of the return air front room, the basic parameters of the flow field in the air duct meet the expected requirements. At the same time, when the distance between the module and the fan is about 2m, the local flow field is optimal. This paper proposes an optimal layout for the heat exchange air duct of the mine return air source heat pipe heat exchanger, which provides guidance for the subsequent engineering application design. Keywords mine return air; heat pipe heat exchanger; heat exchange duct; flow field; optimization 万方数据 目 录 IV 目 录 摘 要............................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 第 1 章 绪论.................................................................................................................. 1 1.1 概述................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状............................................................................................. 2 1.2.1 热管换热器的研究现状...................................................................... 2 1.2.2 矿井回风源热管换热器的研究现状.................................................. 4 1.2.3 风道内流场优化的研究现状.............................................................. 5 1.3 课题的来源及意义......................................................................................... 6 1.4 主要研究内容和技术路线............................................................................. 7 1.4.1 研究内容.............................................................................................. 7 1.4.2 技术路线.............................................................................................. 8 第 2 章 换热风道内流场及数值模拟的理论基础...................................................... 9 2.1 通风系统的特点............................................................................................. 9 2.1.1 气流均匀性基本参数.......................................................................... 9 2.1.2 通风系统的稳定性............................................................................ 10 2.2 风道内假定条件与基本原理....................................................................... 11 2.2.1 连续性介质........................................................................................ 11 2.2.2 不可压缩性........................................................................................ 11 2.2.3 稳定流................................................................................................ 11 2.3 流体动力学的控制方程............................................................................... 12 2.3.1 质量守恒方程.................................................................................... 12 2.3.2 动量守恒方程.................................................................................... 12 2.3.3 能量守恒方程.................................................................................... 13 2.3.4 控制方程的通用形式........................................................................ 13 2.4 湍流模型的选择........................................................................................... 14 2.4.1 湍流模型的介绍................................................................................ 14 2.4.2 湍流方程............................................................................................ 14 2.5 多孔介质理论............................................................................................... 15 万方数据 目 录 V 2.5.1 多孔介质模型.................................................................................... 15 2.5.2 多孔介质动量方程............................................................................ 16 2.6 本章小结....................................................................................................... 16 第 3 章 换热风道内的现场实验研究........................................................................ 17 3.1 工程概况....................................................................................................... 17 3.2 换热风道的特点分析................................................................................... 19 3.2.1 均匀送风原理.................................................................................... 19 3.2.2 等静压风道的计算............................................................................ 20 3.2.3 风阻平衡系统.................................................................................... 24 3.3 实验测试的内容及方法............................................................................... 24 3.3.1 实验测试的主要内容........................................................................ 24 3.3.2 实验测试仪器.................................................................................... 25 3.3.3 测点布置............................................................................................ 27 3.4 实验测试的数据分析................................................................................... 29 3.4.1 总风量的确定.................................................................................... 29 3.4.2 风道内模块风速分布及阻力分析.................................................... 30 3.4.3 热管模块的风量均匀性分析............................................................ 33 3.4.4 热管模块阻力特性的确定................................................................ 35 3.5 本章小结....................................................................................................... 37 第 4 章 换热风道内流场的数值模拟分析................................................................ 39 4.1 数值模拟的基本思想................................................................................... 39 4.1.1 数值模拟的步骤................................................................................ 39 4.1.2 数值模拟的特点................................................................................ 39 4.1.3 主要的计算方法................................................................................ 39 4.2 CFD 软件的介绍 ........................................................................................... 40 4.3 模型的分析................................................................................................... 41 4.3.1 模型的假设........................................................................................ 41 4.3.2 物理模型的建立................................................................................ 41 4.4 网格划分及边界条件的设定....................................................................... 42 4.4.1 网格划分............................................................................................ 42 4.4.2 边界条件的设定................................................................................ 44 4.5 网格无关性验证........................................................................................... 44 4.6 模型的验证................................................................................................... 45 4.7 模拟结果分析............................................................................................... 46 万方数据 目 录 VI 4.7.1 风道内速度场和压力场.................................................................... 46 4.7.2 模块与风机间的速度矢量分析........................................................ 47 4.7.3 不同入口速度的影响........................................................................ 49 4.7.4 风机开启工况的影响........................................................................ 51 4.8 本章小结....................................................................................................... 54 第 5 章 换热风道的结构优化设计研究.................................................................... 57 5.1 优化的主要思想........................................................................................... 57 5.2 优化方案....................................................................................................... 57 5.3 风道流场的优化结果分析........................................................................... 57 5.3.1 导流板对风道流场的影响................................................................ 57 5.3.2 开口方式对风道流场的影响............................................................ 61 5.3.3 进口角度对风道流场的影响............................................................ 64 5.3.4 风机与模块间距的影响.................................................................... 67 5.4 本章小结....................................................................................................... 69 结论与展望.................................................................................................................. 71 参考文献...................................................................................................................... 73 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果.............................................................. 79 致谢.............................................................................................................................. 80 作者简介...................................................................................................................... 81 万方数据 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 概述 随着我国经济的快速发展， 煤炭等不可再生资源的消耗量也在逐渐增大， 且 现阶段我国能源消耗仍是以煤炭为主[1]。在我国能源结构中，太阳能、风能等优 质能源占能源总量的比例较小， 煤炭的主导已经形成。 优化能源结构对降低我国 社会能耗及节能减排等具有重要意义[2-3]。目前，在我国的各个工业生产中能源 利用方式较少， 存在着很多余热资源没有被利用的现象， 能源的综合利用率较低。 因此， 我国在大力发展工业的同时也需要强化节能意识， 提高能源的综合利用率， 对能源进行梯级利用， 减少生产过程中的温室气体排放，缓解环境污染以及热污 染等问题。 煤矿在生产过程中需要给新风加热到 2℃以上，为了能够使煤矿矿山实现可 持续发展，给新风进口气流加热的燃煤锅炉已经逐步的进行拆除。矿井回风中蕴 含着丰富的低品位热量， 由于矿井深度的较深，因此一年四季矿井回风的温度及 湿度等都基本保持在恒定值附近，且回风的风量较大， 其可作为一种非常优质余 热资源，但这部分余热通常是直接排放到大气中，不能有效的利用，这不仅是对 能源的浪费，同时也对环境造成了粉尘污染。在节能环保的背景下，目前世界范 围内已经有许多技术来对矿井回风中的余热进行回收， 这部分余热大多是用来对 新风的加热、冬季矿区的采暖以及矿区工人的生活热水等。 目前，工业中普遍的矿井回风余热回收方式有如下两种1）通过喷淋水耦 合水源热泵系统回收回风的余热；2）通过重力式热管换热器回收回风余热。 图 1-1 矿井回风余热回收系
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